Изнашивание при трении качения

В материале авиационных деталей, работающих при переменных нагрузках, после длительной эксплуатация возникают усталостные повреждения. В зависимости от характера переменной нагрузки различают усталость при вибрационных нагрузках, при теплосменах и контактную усталость.

Разрушение при контактной усталости один из распространенных видов изнашивания поверхностных слоев деталей, работающих в условиях трения качения. Этот вид трения характерен для деталей подшипников качения и зубьев шестерен.

Чистое трение качения при работе подшипников и шестерен встречается очень редко. В любой паре трения качения всегда имеются элементы проскальзывания, т.е. трению качения всегда сопутствует трение скольжения.

Рассмотрим механизм зарождения и развития усталостной трещины при работе детали в условиях трения качения с проскальзыванием. Наличие двух видов трения характеризуется тем, что скорости взаимного перемещения двух деталей не равны друг другу  (рис. 2.5). Чем больше разность этих скоростей, тем больше доля составляющей трения скольжения.

Рис. 2.5.

 

Если , то поверхность трения верхней детали (рис. 2.5) называется опережающей, а нижней - отстающей. Сила трения на опережающей поверхности направлена противоположно скорости взаимного перемещения деталей. В рассматриваемом примере - в противоположном движению (скорости V₁) направлении.

На отстающей поверхности сила трения направлена по направлению скорости относительного перемещения деталей, совпадающему с направлением векторов V₁ и V₂.

Таким образом, в месте контакта двух деталей на элемент материала нижней (отстающей) поверхности действуют две силы: N - сила давления, передаваемая одной деталью на другую, и сила трения F (рис. 2.6).

Рис. 2.6.

Результирующая сила R направлена в сторону вращения, т.е. совпадает с направлением движения. В процессе работы обе детали вращаются. В результате такого вращения каждый микроскопический участок поверхностного слоя отстающей детали периодически нагружается силой R. При многократном повторении этой нагрузки в материале поверхностного слоя детали может возникнуть трещина усталости. Она будет направлена перпендикулярно действию силы R, т.е. по линии mn (рис. 2.6). Следовательно, возникающая вследствие контактной усталости трещина на отстающей поверхности будет направлена в сторону, противоположную скорости вращения.

На опережающей поверхности суммарная величина нагрузки N направлена в сторону, противоположную направлению вращения (рис. 2.7). Поэтому в этом случае усталостная трещина будет развиваться в сторону направления скорости вращения (по ).

Рис. 2.7.

 

Существенное влияние на развитие возникшей трещины оказывает смазывающая жидкость. Проникая в трещину, она создает расклинивающий эффект. Под действием нагрузки N (рис. 2.8), при закрытом контактирующей деталью устье трещины, в жидкости, находящейся в закрытом пространстве, возникают большие давления. У вершины трещины образуется гидравлический клин. В результате скорость роста трещины резко увеличивается. Развитие трещины приводит к выкрашиванию участка металла с образованием характерного углубления, называемого питтингом. Следовательно, при работе деталей в жидкости, усталостная трещина, возникшая вследствие контактной усталости, развивается значительно быстрее, чем без нее.

Рис. 2.8.

 

С этой точки зрения, зародившиеся трещины усталости на рассмотренных ранее поверхностях находятся в разных условиях. Трещина на детали с опережающей поверхностью приближается к месту контакта при вращении обеих деталей своей вершиной (рис. 2.9).За счет упругих деформаций материала стенки трещины начинают сходиться. Находящаяся в трещине жидкость свободно вытесняется через открытое устье. Расклинивающего действия жидкости не наблюдается совсем или оно значительно ослаблено.

Рис. 2.9.

 

На детали с отстающей поверхностью трещина входит в зону контакта своим устьем. Выход жидкости закрывает зона контакта деталей. При дальнейшем перемещении деталей и упругом деформировании материала, прилегающего к трещине, жидкость, находящаяся в ней, сдавливается и начинает работать как клин. Следовательно, эффект расклинивания жидкостью резко проявляется в трещине, зародившейся на детали, поверхность которой перемещается с меньшей скоростью, чем поверхность сопряженной детали.

На поверхности деталей, работающих при совместном действии трения качения и трения скольжения одновременно идут два процесса изнашивания. Помимо рассмотренного процесса, вызванного контактной усталостью, возможен один из видов механического изнашивания, связанный с отделением с поверхности трения частиц материала поверхностного слоя.

Таким образом, в поверхностном слое детали одновременно развиваются два процесса: накопление усталостных повреждений материала и изнашивание этого слоя. В случае преобладания второго процесса тот слой металла, в котором в какой-то степени накопились усталостные повреждения, уносится (изнашивается). В место контакта попадает свежий слой металла, расположенный под изношенным. Процесс усталостного повреждения начинается вновь. Усталостное повреждение не успевает развиться до образования микроскопической трещины, так как разупрочненный слой металла систематически уносится с поверхности за счет изнашивания. В этом случае выкрашивание материала поверхностного слоя не происходит.

Если же процесс механического изнашивания происходит медленно, то превалирующим может оказаться процесс усталостного разрушения с образованием питтиигов.

В процессе работы пары трения качения свойства материала поверхностного слоя изменяются. Волнистость и шероховатость поверхностей трения в процессе приработки уменьшаются. Это приводит к увеличению фактической площади контакта сопряженных деталей и к уменьшению коэффициента трения. Следовательно, при увеличении наработки, напряжения  от одной и той же внешней нагрузки в месте контакта уменьшаются.

С другой стороны, за счет пластического деформирования материала деталей в месте контакта, в тонком поверхностном слое обеих деталей наводятся остаточные напряжения сжатия, а твердость материала увеличивается. То и другое вызывает увеличение предела контактной усталости .

Выкрашивание материала поверхностного слоя возникнет и будет прогрессировать в том случае, когда в процессе эксплуатации контактные напряжения от внешней нагрузки всегда остаются больше величины , т.е. при выполнении неравенства .

Схематически процесс изменения этих напряжений с течением времени характеризуется кривыми 1 и 4 (рис. 2.10). Сплошной кривой 4 показано изменение с течением времени контактной выносливости. Пунктирной кривой 1 показано изменение контактных напряжений от внешней нагрузки в только что рассмотренном случае, т.е. если  при любом . При этих условиях разрушение будет прогрессирующим. При обнаружении первых признаков прогрессирующего контактного выкрашивания детали подлежат снятию с эксплуатации.

Рис. 2.10.

 

Если контактные напряжения от внешней нагрузки будут уменьшаться по закону, характеризуемому кривой 3, то в любой момент времени . В этом случае контактное выкрашивание не должно возникать. Однако образование отдельных питтингов и в этом случае возможно. Они могут появиться в местах наличия дефектов материала деталей: посторонних включений, несплошностей и т.д. При изменении контактных напряжений по кривой 2 в начальный момент работы деталей (при ) . В этот период возможно возникновение контактного выкрашивания. По истечении опасного периода работы, т.е. при , контактные напряжения от внешней нагрузки становятся меньше увеличившегося предела контактной выносливости. Следовательно, в первый период эксплуатации (при ) может возникнуть выкрашивание за счет контактной усталости. Однако оно будет ограниченным. Поэтому для отдельных деталей допустимо наличие на поверхностях трения нескольких питтингов, возникших в начальный период эксплуатации деталей. При дальнейшей эксплуатации этот вид изнашивания прекращается. Количество, величина и место нахождения допустимых питтингов должно быть узаконено требованиями технической документации на ремонт конкретных деталей.

На скорость и интенсивность изнашивания при трении качения влияет ряд факторов. К ним следует отнести: свойства и вязкость смазывающей жидкости, способы ее подачи, наличие в ней примеси (вода, абразив), коррозию материала деталей, точность изготовления и сборки пары трения, свойство материала и качество поверхности.

Наличие жидкости на поверхности контакта двух деталей определяет вид трения и величину коэффициента трения. Чем меньше величина коэффициента трения, тем меньше сила трения и результирующая нагрузка в месте контакта, представляющая собой векторную сумму силы давления и силы трения (рис. 2.6). Поэтому те жидкости, которое обеспечивают наименьшее значение коэффициента трения, должны обеспечивать наибольшую износостойкость при контактной усталости. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают этот вывод: время до образования питтинга (износостойкости) на шариковых образцах при повторном нагружении в топливе ТС-1 в два раза меньше, чем в жидкости АМГ-10.

Значительное влияние на скорость изнашивания таких подшипников оказывает сорт топлива. Наибольшая долговечность подшипников зафиксирована при работе в топливе Т-1 и наименьшая - в топливе Т-2. Промежуточное положение по изменению износостойкости занимают топлива ТС-1 и ТС-1Г. Если принять долговечность подшипника, работающего в топливе Т-1 за 100%, то переход на их эксплуатацию в топливах ТС-1; ТС-1Г и Т-2 сокращает эту долговечность соответственно до 52, 39 и 34%.

Для одной и той же марки минерального масла установлена зависимость скорости изнашивания при контактной усталости деталей от вязкости масла. Чем больше вязкость, тем выше износостойкость. Однако отсюда нельзя сделать вывод о том, что при переходе к более вязкому маслу другого типа износостойкость при контактной усталости возрастает, так как существенное влияние на такую износостойкость оказывает природа смазочной жидкости.

Состояние смазывающей жидкости в месте контакта деталей, работающих при трении качения, может оказать значительное влияние на износостойкость при контактной усталости. А это состояние зависит от способа подачи масла.

В случае обильного поступления смазки без примеси газов часто наблюдается пониженная износостойкость при контактной усталости. Обильная смазка исключает или значительно замедляет отделение с поверхности трения частиц материала за счет механического износа. Зародившаяся микротрещина за счет сильного расклинивающего действия смазки быстро развивается.

В условиях несколько худшей смазки идет постепенное удаление материала тонких поверхностных слоев. Удаляются и те слои металла, в которых накопились усталостные повреждения вследствие контактной усталости. Если скорость усталостного повреждения окажется меньше скорости изнашивания материала поверхности деталей, то образования питтингов на поверхности трения не произойдет.

Характерным в этом отношении являются два способа смазки зубчатых колес: струйная подача в место зацепления из форсунки и помещение нижнего венца одной из шестерен в масло (рис. 2.11). В первом случае обеспечена обильная смазка места контакта, т.е. созданы условия для возникновения изнашивания из-за контактной усталости. Во втором случае масло поступает к месту контакта зубьев в меньшей степени. Кроме того, оно перемешивается с воздухом, а в место контакта поступает воздушно-масляная эмульсия. Расклинивающее действие этой эмульсии, попадающей в зародившуюся трещину, значительно меньше, чем одной жидкой смазки. Вследствие этого во втором случае износостойкость зубьев при контактной усталости будет больше.

Рис. 2.11.

 

В смазывающую жидкость иногда попадают посторонние примеси. К таким примесям, влияющим на износостойкость при контактной усталости, относятся: вода и абразивные частицы. Наличие следов воды в масле снижает износостойкость деталей при контактной усталости в 4 раза, а значительное (порядка 2%) - до 10 раз.

Если же наличие воды вызвало коррозионное поражение материала поверхности трения, то указанная износостойкость снижается еще больше. Даже незначительные следы воды, вызвавшие коррозию, приводят к снижению износостойкости при контактной усталости в 5 раз.

Одной из причин снижения контактной выносливости деталей при наличии воды в масле является наводороживание материала поверхностного слоя. При попадании на нагретую до большой температуры металлическую поверхность вода диссоциирует на водород и кислород. Водород диффундирует в поверхностный слой металла и особенно в те места, где только что произошла пластическая деформация. Скорость диффузии велика вследствие большой температуры металла в участках поверхности, разогретых из-за трения.

Возникающая водородная хрупкость металла снижает величину предела контактной усталости. Следовательно, следы вода в масле свидетельствуют о повышении вероятности появления пигтингов на поверхностях тел трения качения.

Процесс снижения выносливости при контактной усталости значительно усиливается при коррозионном поражении мест контакта деталей. Коррозионные раковины вызывают концентрацию контактных напряжений, а возникшая шероховатость увеличивает коэффициент и, следовательно, силу трения. То и другое ведет к снижению контактной выносливости.

Абразив в масле вызывает интенсивное изнашивание, приводящее к непрерывному обновлению материала поверхностного слоя. В силу этого процесс усталостного повреждения материала в значительной степени замедляется. Это замедление должно быть тем больше, чем больше интенсивность абразивного изнашивания материала деталей. В процессе экспериментальной проверки этого положения было установлено, что увеличение содержания абразива в масле в два раза (от 0,25 до 0,5 %) привело к увеличению времени до образования питтинга в 4раза.

Следовательно, абразивное изнашивание значительно замедляет процесс усталостного повреждения материала деталей, работающих при трении качения (шестерен, шариковых и роликовых подшипников). Однако за счет интенсивного абразивного изнашивания быстро увеличивается зазор в паре трения, вызывая нарушения нормальной ее работы и выход деталей из строя.

Существенное влияние на изнашивание при контактной усталости оказывает твердость материала деталей, качество поверхностей трения, точность изготовления и сборки.

С ростом твердости материала деталей скорость изнашивания при контактной усталости уменьшается, достигая минимума при HRC=61-64 (рис. 2.12). Дальнейшее увеличение твердости на износостойкость при контактной усталости практически не оказывает влияния.

Рис. 2.12.

 

Наличие волнистости приводит к уменьшению площади контакта и, следовательно, к увеличению местных давлений при неизменной внешней нагрузке. Это увеличивает обе составляющие результирующей силы R: давление и силу трения, т.е. ведет к уменьшению контактной выносливости. Увеличение шероховатости сопровождается увеличением коэффициента трения, т.е. силы трения. В результате износостойкость при контактной усталости уменьшается.

На величину коэффициента трения влияет так же взаимное расположение шероховатости контактирующих поверхностей. Самый большой коэффициент трения, соответствующий самой низкой износостойкости при трении качения, зафиксирован при параллельном расположении следов механической обработки на обеих поверхностях трения при условии, что относительное перемещение деталей перпендикулярно этому направлению.

Неточности изготовления и сборки приводят к уменьшения площади фактического контакта, что в конечном счете ведёт к уменьшению износостойкости при контактной усталости.

К этому приводят: перекосы осей роликовых подшипников и шестерен, относительное смещение обойм шариковых и роликовых подшипников, смещение центров осей зубчатых передач, осевое и радиальное смещение конических шестерен и т.п.

Повреждения, вызванные контактной усталостью, наиболее характерны для зубьев шестерен и деталей подшипников качения.

Материал поверхностного слоя зуба шестерни работает при трении качения с проскальзыванием. Чистое качение возможно только в одной точке, соответствующей начальной окружности, - в полюсе. Схема контакта зуба 1 ведущей шестерни с зубом 2 ведомой шестерни представлена на рис. 2.13.

 

Рис. 2.13.

 

Зуб ведущей шестерни входит в контакт ножкой, а зуб ведомой - вершиной. Затем точка контакта перемещается к вершине и основанию зубьев соответственно ведущей и ведомой шестерен. До полюса зацепления поверхность зуба ведущей шестерни является отстающей, а ведомой - опережающей. В самом деле, если радиус начальной окружности ведущей шестерни равен R, а ведомой r, то точка в основании зуба ведущего колеса, на расстоянии h от полюса (рис. 2.14), за один оборот пройдет расстояние 2π( R - h ).Сопряженная с ней точка, принадлежащая ведомой шестерне, пройдет путь 2π( r + h ) i, где i = R / r - коэффициент передачи.

 

Рис. 2.14.

 

Разность путей, пройденных этими точками за один оборот ведущего колеса, будет равна . Если в точках, лежащих на начальных окружностях, нет проскальзывания, то 2π R =2π ri. Следовательно, .

Проскальзывание точек, отстоящих на расстоянии h от полюса зацепления, происходит в направлении, близком к радиальному. Поэтому путь их проскальзывания за один оборот ведущего колеса будет близок к величине . При частоте вращения ведущего колеса n _с оборотов в секунду путь  будет пройден за 1/n _с сек., т.е. скорость проскальзывания рассматриваемых точек равна , м/с.

Скорость проскальзывания линейно зависит от h (рис. 2.15). В полюсе зацепления (точка Р)она равна нулю и возрастает при удалении от него. При переходе через полюс направление и скорость проскальзывания меняют знаки.

Рис. 2.15.

Малые скорости скольжения и большие удельные давления в месте контакта деталей пары трения характерны для молекулярно-механического изнашивания. Такие условия создаются в зацеплении зубьев шестеренчатых передач вблизи полюса. При нахождении точки контакта двух зубьев вблизи полюса скорость скольжения близка к нулю и вся нагрузка передается только через два контактирующих зуба. В начале ив конце зацепления нагрузку воспринимают по две пары зубьев. Иначе говоря, самая нагруженная часть каждого зуба находится вблизи полюса. Именно здесь и созданы условия для возникновения одного из опасных видов изнашивания - молекулярно-механического (изнашивания при заедании).

В связи с изменением направления скорости скольжения поверхностей зубьев, в полюсе происходит изменение направления вектора силы трения. На участке от основания до полюса зуба ведущего колеса вектор силы трения направлен от полюса к основанию. Сила трения, пропорциональная силе давления, увеличивается по направлению к полюсу, затем (в полюсе) меняет направление на противоположное и уменьшается к вершине зуба.

В результате у высоконагруженных передач износ зубьев ведущего колеса за счет пластического деформирования материала приводит к образованию впадины на линии начальной окружности (рис. 2.16). На зубе ведомой шестерни изменение силы трения имеет характер зеркального отображения. От вершины зуба сила трения направлена к полюсу и увеличивается по абсолютному значению, а затем меняет направление но обратное. За счет пластического деформирования материала поверхностного слоя в районе начальной окружности образуется нарост (рис.2.17).

     Рис. 2.16.                                                                Рис. 2.17.

 

В процессе последующей работы образовавшийся нарост материала вызывает увеличения удельных нагрузок. В этом месте возможно возникновение двух прогрессирующих видов изнашивания: молекулярно-механическое и усталостное (контактная усталость). Результатом контактной усталости являются питтинги, расположенные на ножке зуба вблизи полюса зацепления.

В первую очередь этому виду изнашивания подвергается тот зуб, который за один промежуток времени нагружается большее число раз. Поэтому износ в результате контактной усталости в виде пттингов следует в первую очередь ожидать на шестернях меньшего диаметра, независимо от того ведомая она или ведущая.

Это не исключает появления такого вида изнашивания в других местах зубьев, так как оно может быть вызвано дефектами материала, изготовления и сборки.

Надежность работы авиационного двигателя во многом зависит от работоспособности установленных на нем подшипников. Большинство из них работает в режиме окислительного изнашивания и вырабатывает установленный ресурс. Для обеспечения высокой надежности подшипников качения в процессе их проектирования и производства принимают ряд специальных мер. В первую очередь обеспечивается высокое качество и стабильность подшипниковых материалов, точность их изготовления и сборки.

Анализ отказов в работе подшипников качения показывает, что основными причинами их возникновения являются различного рода нарушения конструктивного или производственного характера. Недостаточная жесткость узлов или опор, несоблюдение установленных посадок, несоосности и перекосы часто являются причиной неравномерного распределения нагрузки по поверхностям трения качения. В результате в местах контакта развиваются большие местные давления. Они могут вызвать разрушение поверхностных слоев от контактной усталости или приводят к перегреву материала поверхностного слоя за счет тепла, выделяемого при трении скольжения. В этих местах нарушается структура материала и снижаются характеристики прочности. В результате процесс контактного выкрашивания усиливается, в местах нарушения структуры материала может возникнуть заедание и заклинивание подшипника, приводящее к его разрушению.

Часто одно из колец подшипника вращается вместе с валом, а второе установлено неподвижно или малоподвижно. Поверхность вращающегося вместе с валом кольца всегда будет опережающей относительно шариков или роликов подшипника, а их поверхности в свою очередь опережающими относительно второго кольца. Поэтому следы контактного выкрашивания следует в первую очередь искать на неподвижном кольце, во вторую - на шариках (роликах) и в третью - на подвижном кольце.

На основании экспериментальных исследований установлено, что долговечность подшипников одной и той же марки при одинаковых условиях работы имеет разброс значений больше чем в 20 раз. На основании таких исследований по нижнему доверительному пределу найденной долговечности устанавливают ресурс подшипника. Отбраковка подшипников по выработке установленного таким образом ресурса экономически невыгодна. Многие забракованные по этому критерию подшипники могли бы надежно работать в течение нескольких таких ресурсов.

После ремонта на двигатель многие подшипники устанавливаются повторно. Вероятность безотказной работы такого подшипника определяют по результатам внешнего осмотра, легкости вращения, соответствия требованиям технических условий размеров посадочных поверхностей и величин люфтов. Осмотром устанавливают отсутствие коррозионных и усталостных повреждений.

Указанные меры не совершенны, так как не дают возможности оценить степень накопления в материале поверхностных слоев усталостных повреждений. Поэтому не исключена возможность установки на двигатель недостаточно надежного подшипника. Это требует разработки объективных методов контроля технического состояния поверхностей трения деталей подшипников. Проведенные в КИИГА исследования позволяют утверждать, что одним из таких методов является электроиндуктивный контроль (метод вихревых токов).

 

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 774; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!